新型玻璃凝胶材料兼具玻璃的硬度和凝胶的拉伸性

  科学家们发明了一种名为“玻璃凝胶”的新型材料，这样一种材料尽管含有50%以上的液体，但却非常坚硬且不易破裂。加上玻璃凝胶易于生产，这样一种材料有望应用于多种领域。

  凝胶体和玻璃态聚合物是历来被视为截然不同的两类材料。玻璃态聚合物质地坚硬，通常比较脆。它们用来制造水瓶或飞机窗户等物品。凝胶（如隐形眼镜）含有液体，柔软而有弹性。

  “我们创造了一类被称为玻璃凝胶的材料，这样一种材料和玻璃聚合物一样坚硬，但如果施加足够的力，它可以拉伸到原来长度的5倍，而不会断。”这项研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系教授迈克尔·迪基（Michael Dickey）说，“更重要的是，一旦材料被拉伸，你就能够最终靠加热使其恢复原状。此外，玻璃凝胶的表面有着非常强的粘性，这在硬质材料中并不多见。”

  该论文的共同第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员王美香说：“玻璃凝胶的一个关键特点是，它们的液体含量超过50%，这使得它们比物理特性相当的普通塑料更能高效导电。考虑到这些材料所具有的许多独特性质，我们对它们的用途感到乐观。”

  玻璃态凝胶，顾名思义，其实就是一种结合了玻璃态聚合物和凝胶最诱人特性的材料。为制造玻璃态凝胶，研究人员首先将玻璃态聚合物的液态前体与离子液体混合。将这种混合液体倒入模具中，暴露在紫外线下，使材料固化。然后移除模具，留下玻璃状凝胶。

  “离子液体是一种溶剂，就像水一样，但完全由离子组成，”迪基说，“通常在聚合物中添加溶剂时，溶剂会推开聚合物链，使聚合物变得柔软、可伸展。这就是怎么回事湿隐形眼镜柔软，而干隐形眼镜不柔软的原因。在玻璃态凝胶中，溶剂会将聚合物分子链推开，使其像凝胶一

  样具有拉伸性。然而，溶剂中的离子会强烈吸引聚合物，从而阻止聚合物链移动。链条无法移动就使其成为玻璃状。最终的结果是，由于吸引力的作用，材料变得坚硬，但由于额外的间距，材料仍然能够拉伸。”

  研究人员发现，玻璃凝胶可以用各种不同的聚合物和离子液体制成，但并非所有类别的聚合物都能用来制造玻璃凝胶。

  迪基说：“带电或极性的聚合物有望用于玻璃凝胶，因为它们会被离子液体吸引。也许玻璃凝胶最吸引人的特点就是它们的粘性，因为虽然我们大家都知道是什么让它们变得坚硬和可拉伸，但我们只可以猜测是什么让它们如此具有粘性。”

  在测试中，研究人员发现，玻璃状凝胶即使含有50%~60%的液体，也不会蒸发或变干。他们还认为，玻璃凝胶易于制造，因此有望得到实际应用。

  迪基表示：“制造玻璃态凝胶是一个简单的过程，能够最终靠在任何类型的模具中固化或3D打印来实现。大多数具有类似机械性能的塑料都要求制造商将聚合物作为原料进行生产，然后将聚合物运输到另一个工厂，在那里聚合物被熔化并形成最终产品。我们很高兴看到怎么样去使用玻璃凝胶，并愿意与合作者一起确定这些材料的应用。”该研究发表在6月19日的《自然》杂志上。